《焊接冷裂纹资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《焊接冷裂纹资料（113页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第三节 焊接冷裂纹,2,（一）冷裂纹的危害性 建造结构由于焊接冷裂纹而带来的危害性十分严重。例如1965年美国制造一台大型合成氨塔，材质为Mn-Cr-Mo-V低合金钢，进行水压时发生了破坏事故，有四块1-2t的碎片飞出46m之远，经检验失效分析，认为是由于施焊时预热温度不足而在热影响区产生冷裂纹而造成的。 又如日本某厂在1959-1969年共制造了144台球形容器(HT60-HT80钢)，其中有45台发生了不同程度的裂纹(几乎占1/3)，在这45台球形容器中共检测出1471条裂纹，其中属于冷裂纹就有1248条。,一、冷裂纹的危害性及其一般特征,3,国内某石化总厂一台1000m3的液化石油气
2、罐，材质为FG43钢，施工时由于对进口钢材焊接要求不熟悉，焊后经检验发现许多裂纹(其中主要是冷裂纹)，总长达7540mm，占球罐焊缝总长的11.9。 事故带来的不仅是设备本身的损失，更重要的是直接威胁人的生命安全，所以引起了世界各国的重视。因此，深入探讨冷裂纹的原因，防止冷裂纹的产生是焊接领域中一项重要的任务。,4,（二）冷裂纹的一般特征 高强钢焊接冷裂纹一般是在焊后冷却过程中，Ms点附近或更低的温度区间逐渐产生的，也有的要推迟很久才产生。冷裂纹的起源多发生具有缺口效应的焊接热影响区或有物理化学不均匀的氢聚集的局部地带。冷裂纹的断裂行径，有时是沿晶界扩展，有时是穿晶前进，这要由焊接接头的(金相
3、组织)和(应力状态)及(氢的含量)等而定。这一点不像热裂纹那样，都是沿晶界开裂。14MnMoVN钢焊接接头根部热影响区平行熔合线的冷裂纹如图5-39所示，该裂纹具有沿晶和穿晶的混合形态。,5,图5-39 14MnMoVN钢根部冷裂纹160 (焊条E5015“J507”),6,冷裂纹可以在焊后立即出现，也有时要经过一段时间(几小时，几天甚至更长)才出现。开始少量出现，随时间增长逐渐增多和扩展。对于这类不是在焊后立即出现的冷裂纹，称为“延迟裂纹”，它是冷裂纹中比较普遍的一种形态。 由于延迟裂纹不是在焊后立即可以发现，需延迟一段时间，甚至在使用过程中才出现，所以它的危害性就更为严重。 冷裂纹主要发生
4、部位：在高、中碳钢，低、中合金高强钢的焊接热影响区，但有些金属，如某些超高强钢、钛及钛合金等，有时冷裂纹也发生在焊缝金属中。,7,二、冷裂纹的种类,在焊接生产中由于采用的钢种、焊接材料不同，结构的类型、刚度，以及施工的具体条件不同，可能出现各种形态的冷裂纹，如延迟裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹。然而，在生产上经常遇到的主要是延迟裂纹，因此本节重点讨论低合金高强钢的延迟裂纹问题。 延迟裂纹还可以进一步分类，常见的有以下三种：,8,（一）焊趾裂纹（焊趾：焊缝表面与母材交界处） 如图5-40中A所示，这种裂纹起源于母材与焊缝交界处，并有明显应力集中部位(如咬肉：母材部分未焊满)。裂纹的走向经常与
5、焊道平行，一般由焊趾表面开始向母材的深处扩展。 （二）焊道下裂纹 这种裂纹经常发生在淬硬倾向较大、含氢量较高的焊接热影响区。一般情况下裂纹走向与熔合线平行，但也有垂直熔合线的，如图5-40中B和图5-41所示。,9,图5-40 焊趾裂纹A及焊道下裂纹B15,10,图5-41 焊道下延迟裂纹100,11,（三）根部裂纹 这种裂纹是延迟裂纹中比较常见的一种形态，主要发生在含氢量较高、预热温度不足的情况下。这种裂纹与焊趾裂纹相似，起源于焊缝根部应力集中最大的部位。根部裂纹可能出现在热影响区的粗晶段，也可能出现在焊缝金属中，这决定于母材和焊缝的强韧程度，以及根部的形状，如图5-42所示。,12,图5-
6、42 根部裂纹 裂纹起源于热影响区5 14MnMoVN钢E5015（J507焊条） 裂纹起源于焊缝3 16Mn钢E5015（J507焊条）,13,三、焊接冷裂纹的机理,大量的生产实践和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。这三个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。 （一）钢种的淬硬倾向 钢种的淬硬倾向主要决定于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。焊接时，钢种的淬硬倾向越大，越易产生裂纹，因此，采用高强度钢建造焊接结构就受到限制。为什么钢淬硬之后会引起开裂呢？可归纳为以下两方面。,14,1形成脆硬的马氏体组
7、织 马氏体是碳在a-铁中的过饱和固溶体，碳原子以间隙原子存在于晶格之中，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生较大的畸变，致使组织处于硬化状态。特别是在焊接条件下，近缝区的加热温度很高（达1350-1400），使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变为粗大的马氏体。从金属的强度理论可以知道，马氏体是一种脆硬的组织，发生断裂时将消耗较低的能量，因此，焊接接头有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展。 F/P-BL-ML-Bu-Bg-(M-A)-MT,15,2淬硬会形成更多的晶格缺陷 金属在热力不平衡的条件下会形成大量的晶格缺陷。这些晶格缺陷已查明，主要是空位和位错。用透射电镜观察，条状马氏体
8、内部的亚结构位错密度约为0.3-0.91012/cm2。 研究表明，随焊接热影响区的热应变量增加，位错密度也随之增加，对于HT80钢，每1的应变量位错密度增加5109/cm2。,16,在应力和热力不平衡的条件下，空位和位错都会发生移动和聚集，当它们的浓度达到一定的临界值后，就会形成裂纹源。在应力的继续作用下，就会不断地发生扩展而形成宏观的裂纹。 以上就是淬硬倾向对产生冷裂纹的作用。为了识别淬硬的程度，常以硬度作为标志，所以在焊接方面常用热影响区的最高硬度Hmax作为评定某些高强钢的淬硬倾向。,17,(二)氢的作用 氢是引起高强钢焊接冷裂纹重要因素之一，并且有延迟的特征，因此，在许多文献上把氢引
9、起的延迟裂纹称为“氢致裂纹”或称“氢助裂纹”。 试验研究证明，高强钢焊接接头的含氢量越高，则裂纹的敏感性越大，当局部地区的含氢量达到某一临界值时，便开始出现裂纹。此值称为产生裂纹的临界含氢量Hcr。 各种钢产生冷裂的Hcr值是不同的，它与钢的化学成分、刚度、预热温度，以及冷却条件等有关。图5-43是钢种碳当量Pcm和CE与临界含氢量Hcr的关系。,18,(a),(b),图5-43 碳当量与临界含氢量的关系 (a) Pcm与Hcr；(b) CE与Hcr,19,实验证明，钢中的含氢量分为两部分，即残余氢量和扩散氢量。一般情况下，残余氢含量很少，并且在300以下的焊接区扩散氢变化时，残余氢含量基本不
10、变。因此，可以认为，是扩散氢对冷裂的产生和扩展起了决定性的作用。因为冷裂纹一般都在Ms点以下产生，而在较高的温度下大部分扩散氢均已逸出金属，实际上它不会起致裂作用，只有在较低温度下的扩散氢才具有致裂的作用，这一部分扩散氢可以称为“残余扩散氢HR”。,20,试验研究表明，焊接高强钢冷至100附近时，氢在某些部位发生聚集而起致裂作用，因此，冷至100时的残余扩散氢(HR100)才是致裂的有效氢含量。求焊接时HR100之值可有两种途径，一种是实测，即将测氢的试件焊后冷至100时再放入冰水，然后迅速放入集气器中，测定氢含量；另一种是根据Fick扩散定律建立方程求解。 一般手工电弧焊，当焊缝的平均厚度为
11、 时，经过一系列运算求得HR100的计算公式如下：,21,式中 凝固时焊缝的初始含氢量（ml/100g) 焊缝的平均厚度（mm） M 氢的热扩散因子,22,M是从峰值温度到100温度区间扩散系数D 对冷却时间t100的积分值。它的物理意义是：在一定氢浓度梯度下，一定时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散物质(即氢)的总量。扩散系数D是温度的函数，而焊接条件下，温度又是时间的函数。如将焊接热循环曲线(T-t)改变为扩散系数与时间的曲线(D-t)，则D-t曲线下的面积就是热扩散因子M之值，如图5-44所示。 由此可见，正确解决热扩散因子M，就能方便地解出残余扩散氢HR100之值。,23,图5-4
12、4 焊接热循环Tt曲线与Dt曲线 a）无后热Tp时 b) 有后热Tp时,24,氢的来源及焊缝中的氢含量 金属组织对氢扩散的影响 氢在致裂过程中的动态行为 延迟裂纹的开裂机理,25,1 氢的来源及焊缝中的含氢量 焊接时，焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污，以及环境湿度等都是焊缝中富氢的来源。一般情况下母材和焊丝中的氢量很少，而焊条药皮的水分和空气中的湿气不能忽视，是增氢的主要原因。焊缝中的含氢量与焊条类型、烘干温度和焊后的冷却速度等有关。,26,2 金属组织对氢扩散的影响 氢在不同金属组织中的溶解度和扩散系数不同，因此氢在不同金属中的行为也有很大差别，如下图所示。氢在奥氏体中的溶解度远比在
13、铁素体中的溶解度大，并且随温度的增高而增加。因此，在焊接时由奥氏体转变为铁素体时，氢的溶解度急剧下降(图a)，而氢的扩散速度恰好相反，由奥氏体转变为铁素体时突然增大，由图b可见，氢在奥氏体钢中必须在高温下才有足够的扩散速度。,27,氢在铁中的溶解度（a）及在不同组织钢中扩散速度（b）,28,焊接时在高温作用下，将有大量的氢溶解在溶池中，在随后的冷却和凝固过程中，由于溶解度的急剧降低，氢极力逸出，但因冷却很快，使氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，使焊缝中的氢处于过饱和状态，因而氢要极力进行扩散。氢在不同组织中的扩散速度，主要决定于它的扩散系数D。氢在不同组织中的扩散系数如表所示。,29,高强钢热影
14、响区延迟裂纹的形成过程,3 氢在致裂过程中的动态行为 在焊接过程中，由于热源的高温作用，焊缝金属中溶解了很多的氢，冷却时又极力进行扩散和逸出，原子氢从焊缝向热影响区扩散的情况如图所示。,30,由于焊缝的含碳量低于母材，因此焊缝在较高的温度就发生相变，即由奥氏体分解为铁素体、珠光体、贝氏体以及低碳马氏体等。此时母材热影响区金属尚未开始奥氏体分解。当焊缝由奥氏体转变为铁素体、珠光体等组织时，氢的溶解度突然下降，而氢在铁素体、珠光体中的扩散速度很快，因此氢就很快地从焊缝越过熔合线ab向尚未发生分解的奥氏体热影响区扩散。由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，不能很快把氢扩散到距熔合线较远的母材中去，因而在熔
15、合线附近就形成了富氢地带。当滞后相变的热影响区由奥氏体向马氏体转变时，氢便以过饱和状态残留在马氏体中，促使这个地区进一步脆化。如果这个部位有缺口效应，并且氢的浓度足够高时，就可能产生根部裂纹或焊趾裂纹。若氢的浓度更高。可使马氏体更加脆化，也可能产生焊道下裂纹。,31,4 延迟裂纹的开裂机理,延迟断裂时间与应力的关系（充氢钢恒载拉伸试验）,钢中的延迟裂纹只在一定 的温度区间-100+100,冷裂纹的延迟行为主要由氢引起 氢的应力扩散理论：金属内部的缺陷（包括微孔、微夹杂和晶格缺陷等）潜在裂源-应力作用-微观缺陷前沿形成三向应力区-诱使氢向该处扩散并聚集 -（氢浓度）- 较大的应力和阻碍位错移动（
16、变脆）- 应力进一步加大 - 促使缺陷扩展而形成裂纹,32,(三)焊接接头的应力状态 高强钢焊接时产生延迟裂纹不仅决定于钢的淬硬倾向和氢的有害作用，而且还决定于焊接接头所处的应力状态，甚至在某些情况下，应力状态还起决定性的作用。 实验研究证明，在焊接条件下主要存在以下几种应力： 1不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力 在焊接时，焊接区由于受热而发生膨胀，因而承受压应力，冷却时由于收缩又承受拉应力，一直到焊后将会产生不同程度的残余应力。这种应力的大小与母材和填充金属的热物理性质有关，同时也与结构的刚度有关。对于屈服强度较小的低碳钢残余应力可达s的1.2倍。在应力的作用下，,33,会引起氢的聚集，诱发氢致裂纹。 2金属相变时产生的组织应力 高强钢奥氏体分解时(析出铁素体，珠光体、马氏体等)会引起体积膨胀，而且转变后的组织都具有较小的膨胀系数，如表5-7所示。,34,由于相变时的体积膨胀，将会减轻焊后收缩时产生的拉伸应力，从这点出发，相变应力反而会降低冷裂倾向，这方面已被近年来的试验研究所证实。 图5-53为低碳钢和高强钢(HY80)在拘束焊接
